Thermal analysis in a triple-layered skin structure with embedded vasculature, tumor, and gold nanoshells

Abstract

a b s t r a c tObtaining accurate temperature distributions in living tissue related to hyperthermia skin cancer treatment without using an intruding sensor is a challenge. Here, we report a mathematical model that can accurately determine the temperature distribution in the tumor region and surrounding normal tissue. The model is based on a modified Pennes' equation for the bioheat transfer in a 3-D triple-layered skin structure embedded with a vascular countercurrent network and a tumor appearing in the subcutaneous region. The vascular network is designed based on the constructal theory of multi-scale tree-shaped heat exchangers. The tumor is injected with gold nanoshells in order to be heated quickly. The proposed model is implemented numerically using a stable finite difference scheme. The method is demonstrated and tested by an example.

Theoretical analysis on thermal treatment of skin with repetitive pulses

“…The parameters of the heat source and the skin in the present study are shown in Tables 1 and 2 , respectively 19 , 37 , 38 . The core temperature of human body is usually set as 37 °C, and the temperature of arterial blood and the initial temperature of the vivo skin can also be set as T a = 37 °C and T 0 = 37 °C.…”

Modeling of blood microcirculation, heat and mass transfer in human tissues

“…Відповідні моделі однорідних шаруватих матеріалів для оцінки розповсюдження, поглинання та відповідних фотоіндукованих реакцій були запропоновані у вигляді шаруватих однорідних тканин [3,4], однак більш детальне урахування може бути більш цікавим з точки зору біоінженерних застосувань. Так, в серії публікацій [5][6][7][8] [3]. Були отримані розв'язки модифікованих моделей Pennes [2] для кожного шару та обговорені оптимальні властивості системи мікроциркуляції у вигляді залежностей між діаметрами і довжинами артеріальних судин різних генерацій [5][6][7][8].…”

“…Так, в серії публікацій [5][6][7][8] [3]. Були отримані розв'язки модифікованих моделей Pennes [2] для кожного шару та обговорені оптимальні властивості системи мікроциркуляції у вигляді залежностей між діаметрами і довжинами артеріальних судин різних генерацій [5][6][7][8]. Відомо, що транспортні системи тканин рослин та тварин є еволюційно пристосованими до постачання та розподілу живлячих рідин (крові, рослинного соку, трофічних рідин у простіших та ін.)…”

“…В даній роботі досліджується математична модель фрактальної структури системи мікроциркуляції, запропонована в [5][6][7][8], для оцінки додаткового джерела дисипації енергії та виробництва ентропії за рахунок в'язкої дисипації. 1 2 3 2 4 5 3 1 2 2 3 4 3 5 5 2 3 2 4 5 4 3 4 3 5 5 2 3 2 4 5 4…”

“…Будова розгалужених кровоносних судин як бінарних дерев відповідає фракталу, який, відповідно до[5][6][7][8], можна моделювати у вигляді системи трубок, яка забезпечує кровопостачання із живлячої артерії, до шарів II i III, причому рівномірно заповнює поверхню розділу між шарами II i III (Рис.1б).…”